Discussione sul Problema della Liquefazione del Gas durante l'Installazione degli Interruttori a Colonna nei Regioni Severamente Freddi

Spiegazione Tecnica dei Disgiuntori ad Esacfluoruro di Zolfo (SF₆) e Sfide Relative alla Liquefazione del Gas

I disgiuntori SF₆, che utilizzano l'esacfluoruro di zolfo come mezzo di spegnimento dell'arco, noto per le sue eccellenti proprietà di spegnimento dell'arco e isolamento, sono ampiamente utilizzati nei sistemi di potenza. Questi disgiuntori sono adatti per operazioni frequenti e scenari che richiedono interruzioni ad alta velocità. In Cina, i disgiuntori SF₆ sono fondamentalmente utilizzati per livelli di tensione di 110kV e superiori. Tuttavia, a causa delle proprietà fisiche del gas SF₆, può liquefarsi in determinate condizioni di temperatura e pressione, causando una diminuzione della densità del gas SF₆ nel serbatoio del disgiuntore. Quando la densità scende a un certo livello, il disgiuntore attiverà un blocco di protezione. In alcune regioni della Cina, come la Mongolia Interna, il Nord-Est, lo Xinjiang e il Tibet, dove la temperatura ambiente può raggiungere -30°C o anche inferiore in inverno, il fenomeno di blocco causato dalla liquefazione del gas SF₆ si verifica di tanto in tanto.

Breve Descrizione della Liquefazione del Gas SF₆

Il gas SF₆ ha una stabilità chimica estremamente elevata. È un gas incolore, inodore, insapore e non infiammabile a temperatura e pressione normali, con eccellenti proprietà isolanti e di spegnimento dell'arco.

La temperatura critica di un gas si riferisce alla temperatura massima alla quale il gas può essere liquefatto. Quando la temperatura è superiore a questo valore, il gas non può essere liquefatto indipendentemente dalla pressione applicata.

Per i "gas permanenti" come ossigeno, azoto, idrogeno ed elio, le loro temperature critiche sono inferiori a -100°C, quindi la liquefazione del gas non deve essere considerata a temperature ambiente. Il gas SF₆ è diverso; la sua temperatura critica è di 45.6°C. Può mantenere uno stato gassoso costante solo quando la temperatura è superiore a 45.6°C. A temperature ambiente, può essere liquefatto quando la pressione esterna raggiunge un certo valore. Pertanto, per l'attrezzatura riempita con gas SF₆, è necessario considerare il problema della liquefazione del gas.

La curva dei parametri di stato del gas SF₆ è mostrata nella Figura 1. In condizioni di densità di gas costante ρ, al diminuire della temperatura, la pressione del gas diminuisce di conseguenza. Quando la temperatura scende al punto di liquefazione A corrispondente a questa densità di gas, il gas inizia a liquefarsi e la densità del gas diminuisce.

Situazione Effettiva sul Campo

La stazione di conversione di Ximeng si trova a Chaoke Wula Sumu, città di Xilinhot, lega di Xilingol, regione autonoma della Mongolia Interna. Con un'altitudine di 914 metri e una latitudine di 44.2°, ha un periodo di riscaldamento di fino a sette mesi e viene classificata come zona fredda severa in Cina. Nel campo di filtri AC della stazione, sono installati 20 set di disgiuntori a serbatoio 3AP3 DT prodotti da Hangzhou Siemens, con una tensione nominale di 550 kV. Questi disgiuntori sono dotati di relè di densità con funzione di compensazione termica, e le loro indicazioni riflettono il cambiamento di densità del gas piuttosto che il cambiamento di pressione. I principali parametri dei disgiuntori sono mostrati nella Tabella 1.

Durante il processo di installazione, il riempimento di gas è stato eseguito in stretto rispetto ai parametri forniti dal produttore. La pressione di riempimento nominale è stata impostata a 0,8 MPa, la pressione di allarme a 0,72 MPa e la pressione di blocco a 0,7 MPa (pressione manometrica a 20°C). La curva dei parametri di stato del gas SF₆ è mostrata nella Figura 2. Come si può vedere dalla figura, quando il serbatoio è ben sigillato e non c'è perdita di gas, il gas all'interno del serbatoio si liquefa quando la temperatura scende a -18°C; un allarme viene attivato quando la temperatura raggiunge -21°C; e il disgiuntore viene bloccato quando la temperatura scende a -22°C. La situazione effettiva sul campo è mostrata nella Figura 3.

La situazione effettiva sul campo è coerente con i risultati ottenuti dalla curva dei parametri di stato.

Secondo la situazione di approvvigionamento dei materiali sul campo e il progresso dell'installazione dell'attrezzatura, i disgiuntori a serbatoio hanno completato l'installazione, la pompa al vuoto e le operazioni di riempimento di gas alla fine di novembre. I test di consegna e la messa in servizio dell'attrezzatura sono stati concentrati nei primi dieci giorni di dicembre. A quel punto, la temperatura ambiente era scesa sotto i -22°C, e tutti i disgiuntori installati erano stati bloccati, rendendo impossibile eseguire i test di consegna dell'attrezzatura del disgiuntore in modo normale e influenzando così i nodi di programmazione della costruzione dell'intera stazione.

Soluzioni

In considerazione dei fenomeni di blocco menzionati sopra sul campo, si propongono le seguenti soluzioni:

Riduzione della Quantità di Riempimento di Gas

Si può vedere dalla curva caratteristica dei parametri del gas SF₆ che quando la quantità di riempimento di gas all'interno del serbatoio diminuisce, la temperatura di liquefazione del gas diminuirà, e la temperatura di blocco corrispondente diminuirà di conseguenza. Ad esempio, quando la pressione di riempimento nominale è regolata a 0,56 MPa, la temperatura di liquefazione è -28°C, e la temperatura di blocco è -32°C. In questo caso, la temperatura di liquefazione è inferiore alla temperatura ambiente, e non ci sarà il fenomeno di blocco. Tuttavia, dopo la riduzione della quantità di riempimento, le prestazioni di spegnimento dell'arco e di isolamento del disgiuntore diminuiranno entrambe. Metodi che comportano modifiche allo stato finale dell'attrezzatura e che influiscono sulle sue prestazioni devono essere studiati e dimostrati accuratamente dall'unità di progettazione e dal produttore prima dell'implementazione.

Se non si desidera modificare lo stato finale dell'attrezzatura, cioè ridurre la quantità di riempimento a un certo valore (ad esempio 0,6 MPa) prima del test di consegna e reintegrare la quantità di riempimento al valore nominale dopo il completamento del test e della messa in servizio. Questo metodo può sembrare fattibile, ma in realtà non lo è. Innanzitutto, dopo la riduzione della quantità di riempimento, le prestazioni di isolamento del disgiuntore peggiorano. Senza una dimostrazione accurata, c'è la possibilità che il disgiuntore possa essere perforato durante il test di resistenza al voltaggio. In secondo luogo, anche se il test viene superato senza problemi, i risultati del test non hanno valore di riferimento. Il test di consegna dell'attrezzatura è un controllo della qualità di produzione del produttore e della qualità di installazione dell'installatore, e dovrebbe essere eseguito dopo che l'installazione dell'attrezzatura è completamente terminata. E il processo di riempimento di gas è chiaramente un passaggio nel processo di installazione dell'attrezzatura.

Utilizzo di Gas Miscelati

Attualmente, in patria e all'estero, esistono pratiche di riduzione della temperatura di liquefazione miscelando una certa proporzione di altri gas (come CF₄, CO₂ e N₂) nel gas SF₆. Tuttavia, le prestazioni di isolamento e spegnimento dell'arco del gas miscelato non possono raggiungere il livello del gas SF₆ puro. Alla stessa pressione di riempimento, la capacità di interruzione della corrente di un disgiuntore riempito con gas miscelato sarà circa il 20% inferiore a quella di un disgiuntore riempito con gas SF₆ puro. Se si desidera ottenere la stessa prestazione di isolamento, la pressione di riempimento del gas miscelato deve essere superiore a quella del gas SF₆ puro.

Prendendo come esempio il gas miscelato SF₆/N₂, si può utilizzare la seguente formula di calcolo:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

Nella formula, Pm è la pressione di riempimento del gas miscelato per ottenere la stessa prestazione di isolamento, P_SF6 è la pressione di riempimento del gas SF₆ puro, e x% è la percentuale di contenuto del gas SF₆ nel gas miscelato. Si può vedere dalla formula che per il gas miscelato SF₆/N₂ contenente il 20% di gas SF₆, la pressione di riempimento richiesta è circa 1,4 volte quella del gas SF₆ puro. Per il disgiuntore sul campo, la pressione di riempimento deve raggiungere 1,12 MPa, il che impone nuove esigenze sulla struttura complessiva del disgiuntore.

Installazione di Dispositivi di Riscaldamento

Il principale fattore esterno per la liquefazione del gas SF₆ è che la temperatura ambiente è inferiore alla sua temperatura di liquefazione. Se si installa un riscaldatore di traccia intorno al serbatoio per riscaldarlo e aumentarne la temperatura, si può risolvere il problema di liquefazione.

I disgiuntori a serbatoio di Hangzhou Siemens utilizzano il relè di densità svizzero trafag, che ha una funzione di compensazione termica e la sua indicazione riflette il cambiamento di densità del gas piuttosto che il cambiamento di pressione. Il principio di indicazione di questo relè di densità consiste nel monitorare la densità del gas confrontando la differenza di pressione tra il gas nel serbatoio del disgiuntore e il gas standard portato dal relè di densità. Come mostrato nella Figura 7, quando la temperatura ambiente cambia nell'intervallo superiore alla temperatura di liquefazione, le pressioni dei gas nelle due camere gassose cambiano simultaneamente, la differenza di pressione è zero, l'elemento di espansione non agisce e l'indicatore non si muove; quando il gas nel serbatoio si liquefà o fugge, la pressione del gas standard aumenta relativamente, l'elemento di espansione agisce, causando il movimento dell'indicatore.

Quando la temperatura ambiente scende alla temperatura di liquefazione, il riscaldatore di traccia si attiva e la temperatura del serbatoio aumenta di conseguenza. Ciò crea una differenza di temperatura tra il gas all'interno del serbatoio e il gas all'interno dell'elemento di espansione, causando una deviazione nell'indicazione del misuratore e impedendogli di riflettere con precisione la condizione effettiva del gas all'interno del serbatoio.

Conclusione

Questo articolo descrive brevemente il processo di liquefazione del gas SF₆. Riguardo al problema di liquefazione del gas SF₆ verificatosi durante l'installazione dei disgiuntori a serbatoio nel campo di filtri AC della stazione di conversione di Ximeng, sono state proposte e discusse tre soluzioni: riduzione della quantità di riempimento, sostituzione con gas miscelati e aggiunta di dispositivi di riscaldamento. Attraverso l'analisi e il confronto, si è scoperto che sia la riduzione della quantità di riempimento che la sostituzione con gas miscelati influirebbero sulle prestazioni di isolamento e spegnimento dell'arco del gas, pertanto non sono adatte. Il metodo di utilizzo di un riscaldatore di traccia per riscaldare il serbatoio e prevenire la liquefazione del gas, sebbene possa causare un certo errore nell'indicazione del misuratore, può assicurare il regolare svolgimento del test di consegna dell'attrezzatura, quindi è una soluzione più appropriata.